沙尘环境下工程机械的维护保养

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我国沙漠戈壁与沙漠化土地总面积为 1.67×10km ，约占国土面积的 17.38 [1]。即使无风天气，沙漠地区空气含尘量也能达到 1.5 g/m。，相当于内地土路上履带车辆纵队行驶时的含尘量；而在扬沙季节，含尘量可达 5 g/m。～7 g/m。，与原子武器爆炸后的空气含尘量相当[2]。沙尘对工程机械的主要零部件和总成造成巨大损害，引发工程机械故障甚至事故，严重降低了工程机械的可靠性、动力性、经济性和使用寿命。国外工程机械在沙漠沙尘环境的维保设备、技术和制度都已经相当成熟，而我国在此方面的研究起步较晚，技术储备薄弱口]。随着工业生产对工程机械环境适应能力要求的不断提高，研究沙尘对工程机械主要零部件和总成性能的影响，以及沙尘环境下工程机械的维保技术和方法，已成为当前亟待解决的课题。

1 沙尘对工程机械性能的影响1.1 沙尘对发动机 的影响关于沙尘等细微颗粒对发动机的损伤机理已有大量的深入研究。韩海燕等[43研究了沙尘颗柳入发动机活塞环组后对环组的气流特性及润滑特性产生的影响，发现沙尘颗粒加剧了活塞环的扭转运动，导致环腔的气压下降和活塞环环槽及开 口间隙漏气。钟振远等[s]搭建实验平台研究了沙尘对发动机缸套磨损的影响规律，发现沙尘破坏了缸套-活塞系的润滑系统，造成缸套局部润滑不良，加剧了缸套的局部磨损，并且是不均匀的三维磨损，缩短了发动机的正常寿命。冯凯等[6]研究了沙尘对发动机轴承性能的影响，发现沙尘使润滑油黏度增加，导致油膜剪切力增加，造成轴承摩擦功率损失增大。

1.2 沙尘对燃油供给 系的影响在沙尘环境工作的工程机械由于燃油滤清器效率降低或失效、油箱盖松动、密封垫磨损失效等原因，都能导致沙尘进入燃油供给系统，造成油路堵塞和零部件磨损，引发系统故障，直接影响燃油的喷射质量和燃烧过程，进而影响发动机的动力性、可靠性和经济性。

以目前广泛采用的电控式燃油供给系为例，沙尘侵入对燃油供给系统各部件和发动机的工作性能影响如表1所示 7。

表 1 沙尘可能导致的燃油供给系故障对电控燃油喷射 故障部位 对发动机的影响系统的影响供油不足， 发动机高速喘振、 进油滤网堵塞燃油泵发出尖叫声 无高速、加速不良发动机启动困难、 燃油泵磨损 泵油压力不足动力不足、加速不良电动喷油器 喷油器不能喷油或喷油 发动机动力下降、加速迟缓、胶结堵塞 量减少，喷油雾化不良 怠速不稳定、容易熄火电动喷油器 发动机工作不稳定、进气管阀口积污 喷油量减少 回火、动力性差、加速差1.3 沙尘对液压、润滑 系统的影响实践表明：5 m～15 m的固体颗粒最易使阀卡死；10 m～30 m的颗粒会造成动力元件磨损；轴向柱塞泵配油盘处对于 l0 m～15 m 的固体颗粒敏感；径向泵与马达对 15/.tm25 m的颗粒敏感；叶片泵对 20 m～30/.tm的颗粒敏感[8]。

收稿日期：2013-01-04；修回日期；2013-02-24作者简介；王伟刚 (1989-)，男，安徽界首人，在读硕士研究生，主要从事工程装备环境与可靠性方面的研究。

2013年第 4期 王伟刚.等：沙尘环境下工程机械的维护保养 ·223 ·沙尘颗粒通过油箱的通气盖、油缸轴封、泵的轴封、油滤的塞座、回油管路的密封垫圈以及油箱其他开口处进入油箱，造成油液污染，对液压系统产生如下危害：① 加速元件磨损；② 造成元件阻塞与卡死；③ 造成滤油器失效；④ 加速油液性能的劣化。

1.4 沙尘对底盘 系统的影 响沙尘对工程机械底盘的零部件和各重要总成造成损害，使底盘处于不良的工作状态，直接影响到工程机械的安全性、操控性、舒适性和经济性等关键性能。具体表现为：(1)沙尘侵入传动系将加速传动系统各部件的磨损，缩短其使用寿命 ，甚至引发故障和事故。对于液力式传动系统，若沙尘进入液压油，可引起液压元件磨损、油液黏度增大或油路堵塞，造成油液内漏、离合器打滑、传动迟滞、动力不足等故障[g]。

(2)沙尘会对行驶系的轮毂和轴承等造成影响，加速其摩擦和磨损，引起车辆产生摆振、行驶噪声等故障，影响工程机械的操控性和安全性。沙尘覆盖公路路面后，将导致轮胎表面不能与水泥或沥青表面相接触，车辆行驶时的附着能力下降，加速轮胎磨损[1 。

(3)沙尘进入转向系各配合副，将引起磨损，造成结合松旷；对于液压动力转向系统，若沙尘进入液压油，将导致油液黏度增大或油路堵塞。由此可导致工程机械行驶跑偏、转向沉重、转向不灵等故障[I1，12]。

(4)沙尘若进入轮毂，易造成制动片与制动毂非正常磨损，导致制动间隙增大，出现制动噪声、制动打滑和制动失灵等；若进入液压油，将导致油液黏度增大或油路堵塞，引起制动拖滞等故障[1引。

1.5 沙尘对工程机械其他零部件和总成的影响沙尘污染冷却系表面，不利于机件散热；高速旋转的冷却风扇将夹杂沙尘颗粒的风吹向散热器，造成散热器表面磨损。渗透人密封结构中的沙尘吸附水分后，降低材料绝缘性能，使电路劣化，静电荷增多，产生电噪声，降低电子设备的精度及可靠性；高速风沙能在空气中产生高压静电，干扰电子设备的正常工作甚至造成设备损坏。沙尘中较大的颗辽能刮伤工程机械的表面，尤其是刮伤电玻璃和车灯玻璃，造成光线漫反射，给安全行驶和正常作业带来不利影响。

2 沙尘环境下工程机械维保方法2.1 进行局部 改进设计以提高抗沙尘能力2.1.1 设计安装具备自清洁功能的空气预滤器在沙尘环境下工作的机械，须在空气精滤器前加装专为沙尘环境设计的预滤器。沙尘环境使用的预滤器除了要求具有较高的预滤效率外，还应具备 自清洁、免维护的功能。

目前国外的预滤器技术已非常成熟，国际著名的预滤器供应商如唐纳森、弗列加、曼 ·胡莫尔、马勒等均研发了各种型号的高效 自清洁预滤器。如 TurboPrecleaner公司研制的特博预滤器，具有免维护、自行驱动、自行清洗、安装方便的特点，可使造成发动机磨损的灰尘数量降低 5O ～7O ，发动机 寿命延长15 9，6，大大延长了空滤滤芯的更换周期[1 。

2.1.2 采用集中润滑系统与手工润滑相比，集中润滑系统具有节省人工费用、润滑精度高、节约燃油和润滑脂成本、提高工程机械运行的安全性、延长保养周期和工程机械寿命等优点，尤其是其采用全封闭润滑管路，能有效地防止沙尘进入摩擦副。兖矿集团施工经验表明，与手动润滑相比，集中润滑能减少 4O%的轴承失效[1 ↑年来集中润滑系统逐渐在工程机械上得到应用推广。

2.2 探 索沙尘环境下工程机械 的使用规律除了改进设计和技术革新之外，通过总结实践经验的方法，摸清沙尘环境下工程机械的使用规律，也可以有效地降低沙尘的危害，减少工程机械的损伤。

(1)加强日常保养，做到勤检查、勤维护。及时清理工程机械外表，尤其是冷却水箱表面和油箱通气孔；及时检查润滑油的数量和质量，不足时添加，变质时更换；经常检查空气、机油、燃油滤清器的状态，及时更换滤芯 。

(2)严禁在沙尘环境检修发动机或液压系统；在检修时，应先清理机械外表；对拆下的油管或部件要用干净而厚实的塑料布包好，以防污染；需要对机械进行较大的修理时，应将整机或机器总成件运至远离风沙的地方。

2.3 建立维护保养制度并实时在线监测近年来工程机械实时在线检测和故障诊断技术有了巨大的发展，并取得了大量具有实用价值的成果。

将这些技术成果运用到工程机械上，可以有效地提高工程机械运行的可靠性，延长工程机械保养周期和寿命，减少故障和事故的发生。

从理论上研究沙尘、气压、气温等各项参数对维保周期的影响，建立有效的保养周期计算模型是降低维保成本、提高维逼学化和高效化的必然趋势。针对这-课题已经有不少研究，如董博超[1 等研究了多部件连接机械系统预防性维修周期的确定方法，建立了系统维修优化模型；鲁冬林等[1 ]研究了基于模糊综合评价的高原工程机械维修保养周期确定方法。以上研究虽然不是直接针对沙尘环境，但其方法可以借鉴用于沙尘环境下工程机械维保周期的确定。

3 现有维保技术存在的问题及展望· 224 · 机 械 工 程 与 自 动 化 2013年 第 4期(1)虽然关于工程机械固体颗粒磨损问题的研究已经非常深入，但考虑沙尘颗粒组成和特性的专题性研究仍然很少，且多局限于实验室自建平台实验，缺少实际工况的研究。随着工业施工对工程机械环境适应性的要求提高，这方面的研究将越来越重要。

(2)新型旋转自洁式空气预滤器基本上实现了自动排尘无需维护，但其过滤效率与发动机转速有很大关系，尤其在非额定工况下过滤效率比较低。针对此问题，可考虑采用直流调速电动机控制转子转速，使转子在怠速工况下仍能保持很高的转速；或者采用导向叶片进气截面可调技术，通过调节进气截面的大胸制气体流速，从而控制转子转速。

(3)目前在线监测的研究针对单-部件和简单系统的较多，对复杂系统的整体研究仍较少；试验台研究多，实际工况的研究少；在信号处理方面的研究多，在故障机理及力学模型方面的整体定量研究少。针对复杂系统，同时利用激励和多种响应信息进行综合，在特征级和决策级上开展信息融合研究，大幅度提高故障诊断的精度和可靠性，是工程实际迫切需要解决的问题L1引。机械设备维修周期的确定-直是国内外学者和专家研究的问题，但至今为止尚没有可以在实际中得到广泛应用的维修周期计算模型[1 。

4 结语工业生产对工程机械适应恶劣环境的需求推动了对沙尘环境下工程机械的损伤以及维保技术和方法的研 究～ 计 算 流 体 动 力 学 (Computational FluidDynamics，CFD)数值分析技术应用于沙尘颗粒对发动机损伤机理的分析和预滤器产品的研发，从硬件和软件两方面进-步提高实时监测和故障诊断技术，以及寻求科学高效、广泛适用的维修周期计算模型，是未来研究的发展趋势。